[0003] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种小型三维合成材料成型机，其结构简单紧凑，携带方便，操作方便，可扩展性强，生产成本低，能够在成型过程中完成对成型材料和成型机构的一体监督，实用性强，便于推广使用。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种小型三维合成材料成型机，其特征在于：包括成型机机体和成型控制器，所述成型机机体包括用于搭载合成材料的料架、挤出机、成型平台、水平面运动机构和H型的竖直面运动机构，以及用于支撑搭载料架、所述水平面运动机构和所述竖直面运动机构的支撑搭载机构；所述水平面运动机构包括水平固定盒和用于带动成型平台在水平面上沿Y轴方向运动的Y轴运动机构，所述Y轴运动机构安装在水平固定盒上，所述成型平台安装在所述Y轴运动机构上，所述Y轴运动机构包括Y轴电机；所述竖直面运动机构包括在竖直面上水平设置的用于带动所述挤出机在竖直面上沿X轴方向运动的X轴运动机构和在竖直面上竖直设置的用于带动所述挤出机在竖直面上沿Z轴方向运动的Z轴运动机构，所述X轴运动机构安装在所述Z轴运动机构上，所述挤出机安装在所述X轴运动机构上，所述X轴运动机构包括X轴电机，所述Z轴运动机构包括两个Z轴电机；所述成型平台设置在所述挤出机的下方，所述挤出机包括挤料电机、热喷头和位于热喷头一侧的降温风扇，所述热喷头竖直向下设置；所述成型控制器包括微控制器模块和为所述成型控制器中各用电模块供电的供电电源，所述微控制器模块的输入端接有按键电路和用于对热喷头的成型温度进行实时检测的温度检测电路，所述降温风扇与微控制器模块的输出端相接，所述微控制器模块的输出端还接有液晶显示电路模块和热喷头驱动电路，以及用于驱动X轴电机的X轴电机驱动电路、用于驱动Y轴电机的Y轴电机驱动电路、用于驱动两个Z轴电机的Z轴电机驱动电路和用于驱动挤料电机的挤料电机驱动电路。
[0005] 上述的小型三维合成材料成型机，其特征在于：所述支撑搭载机构包括门字型的支撑主体架、从支撑主体架前端上部向左右两侧延伸形成的两个支撑耳和从支撑主体架后端左右两侧向后延伸形成的两个支撑翅；所述料架包括两端分别与两个支撑翅上部固定连接的料架轴和转动连接在料架轴上且用于缠绕合成材料的卷料筒。
[0006] 上述的小型三维合成材料成型机，其特征在于：所述水平固定盒与支撑主体架的下部内侧壁固定连接，所述Y轴运动机构包括安装在水平固定盒上且相互间隔设置的两根Y轴导轨和设置在水平固定盒内一端的Y轴同步带导轮，所述Y轴电机设置在水平固定盒内另一端，所述Y轴电机和Y轴同步带导轮均位于两根Y轴导轨之间，所述Y轴电机的输出轴上连接有Y轴电机同步轮，所述Y轴电机同步轮和Y轴同步带导轮上连接有Y轴同步带；所述成型平台的底面几何中心位置处与Y轴同步带固定连接，所述成型平台的底面与两根Y轴导轨的顶面滑动接触；所述Z轴运动机构包括在竖直面上竖直设置的两根Z轴丝杠和分别位于两根Z轴丝杠旁侧的两根Z轴导轨，两个所述Z轴电机分别设置在两根Z轴丝杠下方，两根Z轴丝杠分别位于支撑主体架的左右两侧且分别向上穿出到两个支撑耳上部，两根Z轴导轨的一端分别向上穿出到两个支撑耳上部且分别与两个支撑耳固定连接，两根Z轴导轨的另一端分别与两个Z轴电机的壳体固定连接，两根Z轴丝杠的底部分别与两个Z轴电机的输出轴固定连接，两个Z轴电机分别与水平固定盒Y轴方向的左右两侧中间位置处固定连接，两根所述Z轴丝杠上均螺纹连接有套装在Z轴导轨上且与Z轴导轨滑动接触的Z轴滑动座；所述X轴运动机构包括在竖直面上水平设置且上下间隔设置的两根X轴导轨和安装在两个Z轴滑动座中的其中一个内侧的X轴同步带导轮，所述X轴电机安装在两个Z轴滑动座中的另一个外侧，两根X轴导轨的两端均分别与两个Z轴滑动座固定连接，所述X轴电机和X轴同步带导轮均位于两根X轴导轨之间，所述X轴电机的输出轴上连接有X轴电机同步轮，所述X轴电机同步轮和X轴同步带导轮上连接有X轴同步带，所述X轴同步带上固定连接有套装在两根X轴导轨上且与X轴导轨滑动接触的X轴滑动支座，所述挤出机安装在X轴滑动支座上。
[0007] 上述的小型三维合成材料成型机，其特征在于：所述热喷头、挤料电机和降温风扇均安装在X轴滑动支座上，所述挤料电机和降温风扇分别位于热喷头的两侧，所述挤料电机的输出轴上连接有挤料电机同步轮，所述合成材料的一端伸入挤料电机同步轮与X轴滑动支座之间的间隙内且位于热喷头的正上方。
[0008] 上述的小型三维合成材料成型机，其特征在于：所述微控制器模块包括ARM微控制器芯片STM32F103VET、晶振电路和复位电路，所述晶振电路由晶振Y1和晶振Y2，以及非极性电容C1、非极性电容C2、非极性电容C4和非极性电容C5组成；所述非极性电容C1的一端和晶振Y1的一端均与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第8引脚相接，所述非极性电容C2的一端和晶振Y1的另一端均与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第9引脚相接，所述非极性电容C4的一端和晶振Y2的一端均与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第12引脚相接，所述非极性电容C5的一端和晶振Y2的另一端均与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第13引脚相接，所述非极性电容C1的另一端、非极性电容C2的另一端、非极性电容C4的另一端和非极性电容C5的另一端均接地；所述复位电路由非极性电容C6和复位按键K1组成，所述非极性电容C6的一端和复位按键K1的一端均与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第14引脚相接，所述非极性电容C6的另一端和复位按键K1的另一端均接地；所述降温风扇的电源正极与微控制器模块的第69引脚相接，所述降温风扇的电源负极接地。
[0009] 上述的小型三维合成材料成型机，其特征在于：所述按键电路包括启动按键K2、停止按键K3和急停按键K4，所述启动按键K2的一端、停止按键K3的一端和急停按键K4的一端分别与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第15引脚、第16引脚和第17引脚相接，所述启动按键K2的另一端、停止按键K3的另一端和急停按键K4的另一端均接地；
[0010] 所述温度检测电路包括热敏电阻Rt、电阻R19和极性电容C13，所述电阻R19的一端、极性电容C13的负极和热敏电阻Rt的一端均与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第33引脚相接，所述电阻R19的另一端与供电电源的+5V电压输出端相接，所述热敏电阻Rt的另一端和极性电容C13的正极均接地。
[0011] 上述的小型三维合成材料成型机，其特征在于：所述热喷头驱动电路包括型号为PC817的光耦隔离芯片U9，所述光耦隔离芯片U9的第1引脚与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第70引脚相接，所述光耦隔离芯片U9的第2引脚通过电阻R20接地，所述光耦隔离芯片U9的第3引脚与供电电源的+5V电压输出端相接，所述光耦隔离芯片U9的第4引脚通过串联的电阻R21和电阻R22接地，所述热喷头的电源正极与电阻R21和电阻R22的连接端相接，所述热喷头的电源负极接地；
[0012] 所述液晶显示电路模块由液晶显示屏LCD1602和电位器R18组成，所述液晶显示屏LCD1602的第2引脚和第15引脚以及电位器R18的一个固定端均与供电电源的+5V电压输出端相接，所述液晶显示屏LCD1602的第1引脚和第16引脚以及电位器R18的另一个固定端均接地，所述液晶显示屏LCD1602的第3引脚与电位器R18的滑动端相接，所述液晶显示屏LCD1602的第4～14引脚依次对应与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第35～45引脚相接。
[0013] 上述的小型三维合成材料成型机，其特征在于：所述X轴电机为两相四线制步进电机M1，所述X轴电机驱动电路包括型号为A4988的电机驱动芯片D2以及型号均为PC817的光耦隔离芯片U1和光耦隔离芯片U2，所述光耦隔离芯片U1的第1引脚通过电阻R2与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第90引脚相接，所述光耦隔离芯片U2的第1引脚通过电阻R4与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第91引脚相接，所述光耦隔离芯片U1的第2引脚和第4引脚以及所述光耦隔离芯片U2的第2引脚和第4引脚均接地，所述光耦隔离芯片U1的第3引脚通过电阻R3与供电电源的+5V电压输出端相接，所述光耦隔离芯片U2的第3引脚通过电阻R5与供电电源的+5V电压输出端相接；所述电机驱动芯片D2的第1～4引脚以及第9引脚和第
15引脚均接地，所述电机驱动芯片D2的第5引脚和第6引脚相接，所述电机驱动芯片D2的第7引脚与所述光耦隔离芯片U1的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D2的第8引脚与所述光耦隔离芯片U2的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D2的第10引脚与供电电源的+5V电压输出端相接，所述电机驱动芯片D2的第11～14引脚依次对应与所述两相四线制步进电机M1的A接线端、C接线端、B接线端和D接线端相接，所述电机驱动芯片D2的第16引脚与供电电源的+30V电压输出端相接；
[0014] 所述Y轴电机为两相四线制步进电机M2，所述Y轴电机驱动电路包括型号为A4988的电机驱动芯片D3以及型号均为PC817的光耦隔离芯片U3和光耦隔离芯片U4，所述光耦隔离芯片U3的第1引脚通过电阻R6与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第92引脚相接，所述光耦隔离芯片U4的第1引脚通过电阻R8与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第93引脚相接，所述光耦隔离芯片U3的第2引脚和第4引脚以及所述光耦隔离芯片U4的第2引脚和第4引脚均接地，所述光耦隔离芯片U3的第3引脚通过电阻R7与供电电源的+5V电压输出端相接，所述光耦隔离芯片U4的第3引脚通过电阻R9与供电电源的+5V电压输出端相接；所述电机驱动芯片D3的第1～4引脚以及第9引脚和第15引脚均接地，所述电机驱动芯片D3的第5引脚和第6引脚相接，所述电机驱动芯片D3的第7引脚与所述光耦隔离芯片U3的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D3的第8引脚与所述光耦隔离芯片U4的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D3的第10引脚与供电电源的+5V电压输出端相接，所述电机驱动芯片D3的第11～14引脚依次对应与所述两相四线制步进电机M2的A接线端、C接线端、B接线端和D接线端相接，所述电机驱动芯片D3的第16引脚与供电电源的+30V电压输出端相接；
[0015] 两个所述Z轴电机分别为两相四线制步进电机M4和两相四线制步进电机M5，所述Z轴电机驱动电路包括型号为A4988的电机驱动芯片D5以及型号均为PC817的光耦隔离芯片U7和光耦隔离芯片U8，所述光耦隔离芯片U7的第1引脚通过电阻R14与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第71引脚相接，所述光耦隔离芯片U8的第1引脚通过电阻R16与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第72引脚相接，所述光耦隔离芯片U7的第2引脚和第4引脚以及所述光耦隔离芯片U8的第2引脚和第4引脚均接地，所述光耦隔离芯片U7的第3引脚通过电阻R15与供电电源的+5V电压输出端相接，所述光耦隔离芯片U8的第3引脚通过电阻R17与供电电源的+5V电压输出端相接；所述电机驱动芯片D5的第1～4引脚以及第9引脚和第15引脚均接地，所述电机驱动芯片D5的第5引脚和第6引脚相接，所述电机驱动芯片D5的第7引脚与所述光耦隔离芯片U7的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D5的第8引脚与所述光耦隔离芯片U8的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D5的第10引脚与供电电源的+5V电压输出端相接，所述电机驱动芯片D5的第11～14引脚依次对应与所述两相四线制步进电机M4的A接线端、C接线端、B接线端和D接线端相接，所述两相四线制步进电机M5的A接线端、C接线端、B接线端和D接线端依次对应与所述两相四线制步进电机M4的A接线端、C接线端、B接线端和D接线端相接，所述电机驱动芯片D5的第16引脚与供电电源的+30V电压输出端相接；
[0016] 所述挤料电机为两相四线制步进电机M3，所述挤料电机驱动电路包括型号为A4988的电机驱动芯片D4以及型号均为PC817的光耦隔离芯片U5和光耦隔离芯片U6，所述光耦隔离芯片U5的第1引脚通过电阻R10与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第95引脚相接，所述光耦隔离芯片U6的第1引脚通过电阻R12与所述ARM微控制器芯片STM32F103VET的第96引脚相接，所述光耦隔离芯片U5的第2引脚和第4引脚以及所述光耦隔离芯片U6的第2引脚和第4引脚均接地，所述光耦隔离芯片U5的第3引脚通过电阻R11与供电电源的+5V电压输出端相接，所述光耦隔离芯片U6的第3引脚通过电阻R13与供电电源的+5V电压输出端相接；所述电机驱动芯片D4的第1～4引脚以及第9引脚和第15引脚均接地，所述电机驱动芯片D4的第5引脚和第6引脚相接，所述电机驱动芯片D4的第7引脚与所述光耦隔离芯片U5的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D4的第8引脚与所述光耦隔离芯片U6的第3引脚相接，所述电机驱动芯片D4的第10引脚与供电电源的+5V电压输出端相接，所述电机驱动芯片D4的第11～14引脚依次对应与所述两相四线制步进电机M3的A接线端、C接线端、B接线端和D接线端相接，所述电机驱动芯片D4的第16引脚与供电电源的+30V电压输出端相接。
[0017] 本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便且实时性高、能够提高成型的质量和效率的小型三维合成材料成型机的成型温度控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0018] 步骤一、成型温度控制及检测：所述微控制器模块通过热喷头驱动电路将加热电压Ur加载在热喷头上，热喷头发热并对待成型材料进行融化，融化后的待成型材料滴落在成型平台成型；同时，温度检测电路对热喷头的成型温度进行实时检测并将检测到的成型温度信号实时输出给微控制器模块；
[0019] 步骤二、成型温度检测值与最佳成型温度比对：微控制器模块对其接收到的成型温度信号进行分析处理，得到成型温度检测值T并将成型温度检测值T与最佳成型温度 相比对，得到成型温度检测值T与最佳成型温度 的差值
[0020] 步骤三、微控制器模块根据以下的基于专家系统的插补补偿策略对成型温度进行调节：
[0021] 当ΔT>5℃时，微控制器模块持续通过热喷头驱动电路将加热电压Ur加载在热喷头上，微控制器模块不加载降温电压给降温风扇；其中，加热电压Ur的取值范围为5V～12V；
[0022] 当ΔT≤5℃时，微控制器模块开始加载降温电压给降温风扇；且当0℃<ΔT≤5℃时，微控制器模块将通过热喷头驱动电路加载在热喷头上的加热电压Ur增大λ·ΔUr后加载在热喷头上，同时，微控制器模块将加载在降温风扇上的降温电压Uf减小λ·ΔUf后加载在降温风扇上；当-5℃<ΔT≤0℃时，微控制器模块将通过热喷头驱动电路加载在热喷头上的加热电压Ur减小λ·ΔUr后加载在热喷头上，同时，微控制器模块加载在降温风扇上的降温电压Uf增大λ·ΔUf后加载在降温风扇上；其中，加热电压Ur的取值范围为5V～12V，ΔUr为加热电压Ur的变化量且ΔUr的取值为0.7|ΔT|，降温电压Uf的取值范围为3.5V～5V，ΔUf为降温电压Uf的变化量且ΔUf的取值为0.2|ΔT|，λ为加热电压Ur和降温电压Uf的变化速率系数且λ的取值范围为0～1.2，λ的取值方法为：|ΔT|的值越大，λ的取值越大。
[0023] 上述的方法，其特征在于：所述λ的取值方法为：
[0024] 当3℃<|ΔT|≤5℃时，取λ＝1.2；
[0025] 当1℃<|ΔT|≤3℃时，取λ＝0.8；
[0026] 当0℃<|ΔT|≤1℃时，取λ＝0.5；
[0027] 当|ΔT|＝0℃时，取λ＝0。
[0028] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0029] 1、本发明小型三维合成材料成型机的结构简单紧凑，体积小，携带方便，能够放置在桌面上使用，操作方便。
[0030] 2、本发明小型三维合成材料成型机使用了多种标准零件来提高成型精度，如导轨、丝杠、电机同步轮等零件的使用；设计出了多种不需要开模具等复杂加工方式的机械构件，只需要普通加工或简单加工即可直接使用，如：X轴滑动支座、Z轴滑动座、水平固定盒等机械构件的使用，提高了成型精度的同时降低了机械生产的成本。
[0031] 3、本发明小型三维合成材料成型机使用了成型材料与成型机构合并一体的设计方案，直接将料架设置在支撑搭载机构上，设计新颖合理，便于整体移动，且在成型过程中，能够实现对成型材料和成型机构的一体监督，节省了人力，且有助于提高成型效率。
[0032] 4、本发明小型三维合成材料成型机中的成型控制器采用了模块化的设计，根据功能不同进行模块划分，布局合理，层次分明，便于组装、电路连接以及故障排查，且可扩展性强。
[0033] 5、本发明小型三维合成材料成型机中的成型控制器采用ARM微控制器芯片STM32F103VET作为主控芯片，具有成本低、可扩展性强、执行效率高和高性能等优点，成型控制器的实现方便且成本低。
[0034] 6、本发明的成型温度控制方法的方法步骤简单、实现方便且实时性高，通过采用基于专家系统的插补补偿策略对成型温度进行调节，来改善热喷头在最佳成型温度附近的温控动态特性，能够提高成型的质量和效率。
[0035] 7、本发明能够实现合成材料的成型，采用熔点温度较低的生物降解合成材料，能够制造出出长、宽、高在150mm之内的多种形状的产品，能够作为工业和军事领域小型产品加工、高精度零件生产等教学实验或研究的平台，对人们的生产生活有着非常重要的意义，实用性强，便于推广使用。
[0036] 综上所述，本发明携带方便，操作方便，可扩展性强，生产成本低，能够在成型过程中完成对成型材料和成型机构的一体监督，成型效率和质量高，实用性强，便于推广使用。
[0037] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
